MỞ ĐẦU
Trong những năm qua, sự phát triển vượt bậc của khoa
học kĩ thuật đã góp phần thúc đẩy sản xuất, phát triển các ngành
công nghiệp, nâng cao đời sống vật chất tinh thần của còn
người. Song song với những mặt tích cực đó còn người phải đối
mặt với nhiều khó khăn từ mặt trái của sực phát triển đó mang
lại đó là ô nhiễm môi trường, nguồn nước, bệnh tật, năng
lượng…. Vật liệu bán dẫn hữu cơ đã và đang thu hút được
nhiều sự quan tâm và đầu tư nghiên cứu trong các trường đại
học, viện và các trung tâm nghiên cứu của các nước có nền
khoa học kĩ thuật phát triển trên thế giới trong vòng hơn hai
thập kỉ gần đây. Trên thực tế, đã có những kết quả nghiên cứu
bước đầu được ứng dụng trong đời sống như diode phát quang
hữu cơ (OLED) hay pin mặt trời hữu cơ (OSC) nhằm đáp ứng
nhu cầu về khai thác sử dụng nguồn năng lượng tái tạo và thân
thiện môi trường. Ở Việt Nam trong khoảng mười năm trở lại
đây, nghiên cứu về khoa học và công nghệ nano ứng dụng trong
các lĩnh vực quang-điện tử, y-sinh và môi trường đã có sự phát
triển mạnh mẽ.
Từ lý do tác giả chọn đề tài: Nghiên cứu chế tạo và khảo
sát tính chất của vật liệu chuyển tiếp dị chất khối cấu trúc
nano trên cơ sở ống carbon nano (CNTs) và polymer dẫn,
ứng dụng chế tạo pin mặt trời hữu cơ. Nội dung của bản luận
văn tập trung vào giải quyết các vấn đề:
1


- Nghiên cứu chế tạo các màng vật liệu tổ hợp chuyển
tiếp dị chất có thành phần khác nhau trên cơ sở CNTs, PCBM
và các polymer dẫn là PVK, P3HT với tỉ lệ khác nhau về khối
lượng (PVK:P3HT = 10:100; PVK:P3HT = 30:100; PVK:P3HT

được tạo bởi các nguyên tử carbon. Cấu trúc hình trụ này có
đường kính vài nanometer (nm) trong khi chiều dài có thể đạt
đến vài trăm micrometer (μ m) dẫn đến tỉ lệ chiều dài và đường
kính lên tới 132.000.000 : 1 [6]. Với cấu trúc hình ống có tính
chất cơ và tính chất điện siêu việt thể hiện ở sức bền cao, khả
năng dẫn điện tốt, và đặc biệt có nhiều tính chất điện thú vị.
1.1.2 Phân loại ống nano các bon:
- Ống nano carbon đơn tường (SWCNTs):
- Ống nano carbon đa tường (MWCNTs):
1.1.3 Tính chất của ống nano carbon:
- Tính chất cơ: là tính chất đặc trưng cơ bản của ống
nano carbon. Phân tử là các nguyên tử carbon nên chúng nhẹ
nhưng lại có độ bên cơ cao do các nguyên tử carbon đều là liên
kết cộng hóa trị tạo nên cấu trúc tinh thể hoàn hảo.
- Tính chất nhiệt:
- Tính chất điện:
- Tính chất hóa học:
3


- Tính chất quang: Các tính chất quang của CNTs liên
quan đến sự hấp thụ, sự phát quang và phổ tán xạ Raman của
nó. Các tính chất này cho phép xác định đặc điểm “chất lượng
ống nano carbon” nhanh chóng và chính xác.
Hấp thụ quang: Hấp thụ quang trong CNTs khác với hấp thụ
quang trong vật liệu khối 3D thông thường bởi sự hiện diện của
các đỉnh nhọn (ống nano carbon có cấu trúc 1D) thay vì một
ngưỡng hấp thụ bởi sự tăng hấp thụ (trong trạng thái rắn có cấu
trúc 3D).
Sự phát quang: Hiện tượng phát quang hóa học (PL) là một

Tương đồng với các bán dẫn vô cơ



Giá thành thấp
 Có thể tạo được nhiều diện tích lớn
 Đáp ứng được các tính chất quang và điện đặc biệt.
 Một số tính chất ưu việt khác mà các vật liệu khác

không dễ gì có được như tính dẻo, có thể uốn cong dưới bất kỳ
hình dạng nào, màu sắc trung thực, số lương màu lớn…
Tuy nhiên chúng cũng còn một số những yếu điểm cần khắc
phục:
 Độ ổn định.
 Kiểm soát độ dày màng polymer.
 Độ linh động của các hạt tải điện.
Hiện nay polymer dẫn đã được ứng dụng nhiều váo các
lính vực như: công nghệ chế tạo diode phát quang hữu cơ
(OLED), màn hình phẳng dẻo kích thước lớn, laser, solar cell,
photodetector, các loại transistor, các loại sensor, bộ nhớ
(memory cell)…

5


Hình 1.2.3 Cấu trúc phân tử và độ rộng vùng cấm một số polymer dẫn

1.2.2 Polymer cấu trúc nối đôi liên hợp:
Các polymer có cấu trúc nối đôi liên hợp (… - C = C – C
= C - …) như polyacethylene (PA), polypyrrole (PPy),

tách biệt được diễn ra trong tế bào năng lượng mặt trời hữu cơ.
Nó cũng cho thấy cơ chế mất mát liên quan và sự liên hệ với số
lượng điện được sử dụng trong sơ đồ mạch điện tương đương
(Equivalance Circuit Diagram - ECD).

7


Quá trình chuyển hóa quang năng thành điện năng diễn ra
gồm:
- Sự hấp thụ photon.
- Sự khuếch tán exciton.
- Sự phân tách hạt tải.
- Vận chuyển hạt tải.
- Sự thu thập hạt tải.
1.4.2 Cấu trúc của pin mặt trời hữu cơ:
Nói chung, pin mặt trời có cấu trúc gồm 3 phần chính:
Anode, Cathode (điện cực), tấm đế và lớp hoạt quang
(Photoactive layer - chất vô cơ cho pin mặt trời vô cơ và chất
hữu cơ với pin mặt trời hữu cơ) như được mô tả trong Hình 1.3.
Các lớp đệm có thể bổ sung để tăng chất lượng của pin.
8


Hình 1.3 - Cấu trúc chung của 1 tế bào năng lượng mặt trời

- Tấm đế (substrate)
- Lớp anode (phải trong suốt)
- Lớp truyền lỗ trống
- Lớp truyền điện tử

đoạn nhỏ dung dịch lên đế thủy tinh và dàn đều ra toàn màng; b
là giai đoạn gia tốc quay; c là giai đoạn quay với vận tốc ổn
định; d là giai đoạn ngừng quay và bay hơi (làm khô). Chiều
dày của màng thu được sẽ phụ thuộc vào nhiều yếu tố như độ
nhớt, khối lượng riêng và nồng độ của dung dịch, thời gian và
tốc độ quay.
10


2.2 Phương pháp ghi phổ hấp thụ UV – Vis:
Phổ hấp thụ UV - Vis biểu thị mối quan hệ giữa cường độ
hay hệ số hấp thụ ánh sáng của vật liệu với bước sóng ánh sáng
chiếu vào vật liệu. Phép đo phổ hấp thụ quang học cho ta rất
nhiều thông tin về vật liệu như: độ rộng vùng cấm quang, dự
đoán bước sóng huỳnh quang của vật liệu nếu vật liệu phát
quang, hiệu ứng kích thước lượng tử, ước tính kích thước của
các chấm lượng tử, và các dịch chuyển quang học,... .
Trong luận văn, các phép đo phổ hấp thụ của các mẫu
được thực hiện trên hệ đo UV-VIS-NIR Jasco V570 của trường
Đại học Công nghệ - Đại học Quốc gia Hà Nội.

2.3 Phương pháp ghi phổ quang - huỳnh quang:
Phổ quang - huỳnh quang biểu diễn mối quan hệ giữa
cường độ huỳnh quang và bước sóng phát quang khi vật liệu
nhận ánh sáng kích thích nào đó. Phổ quang - huỳnh quang cho
biết bước sóng phát quang, các dịch chuyển quang học của điện
tử của các tâm phát quang, các quá trình truyền năng lượng giữa
các tâm phát quang
11


2.6 Nghiên cứu chế tạo pin mặt trời hữu cơ:
13


- Chế tạo màng điện cực ITO bằng phương pháp ăn
mòn hóa học ướt.
- Chế tạo lớp hoạt quang của Pin mặt trời hữu cơ.
- Chế tạo điện cực Al bằng phương pháp bốc bay nhiệt
chân không.
- Khảo sát các thông số đặc trưng của Pin mặt trời hữu
cơ.
Chương 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1 Nghiên cứu chế tạo và khảo sát tính chất của vật liệu
chuyển tiếp dị chất khối cấu trúc nano trên cơ sở CNTs và
polymer dẫn:
Trong đề tài này, chúng tôi đã sử dụng ống carbon nano
đa vách (CNTs) được biến tính bằng hệ axit oxi hóa mạnh
H2SO4:HNO3 = 1:3 (theo thể tích) trong chế tạo vật liệu tổ hợp
chuyển tiếp dị chất khối cấu trúc nano. Tổ hợp blend polymer
của poly (N-vinylcarbazole) – PVK và poly (N-hexylthiophene)
– P3HT với các tỉ lệ thành phần khác nhau theo khối lượng đã
được khảo sát.
PVK:P3HT = 10:100
PVK:P3HT = 30:100
PVK:P3HT = 50:100
PVK:P3HT:CNTs = 50:100:8
Mẫu vật liệu chuyển tiếp dị chất khối cấu trúc nano trên
cơ sở blend polymer dẫn PVK:P3HT và
14


học

bề

mặt

của

màng

PVK:P3HT:PCBM:CNTs = 50:100:150:0,03 (theo khối lượng)
được khảo sát bằng ảnh chụp kính hiển vi điện tử quét AFM.
15


Kết quả cho thấy bề mặt của màng vật liệu cũng mịn và đồng
đều, độ nhấp nhô trung bình khoảng 13nm.

Hình 3.2. Ảnh AFM của mà PVK:P3HT:PCBM:CNTs.

Kết quả khảo sát màng PVK:P3HT:CNTs = 50:100:8
(theo khối lượng) tạo ra thông qua việc ghi ảnh FE - SEM, cho
thấy các ống CNTs có đường kính trung bình khoảng 20nm
được phân tán khá đồng đều trong vật liệu tổ hợp.

Hình 3.3. Màng vật liệu tổ hợp PVK:P3HT:CNTs.

3.1.2

Khảo sát độ dày của màng vật liệu tổ hợp:


Hình 3.9. Phổ quang - huỳnh quang của màng PVK và PVK:PCBM,
bước sóng kích thích 325nm.

Từ hình 3.9 cho thấy khi bị kích thích quang, màng PVK thuần
phát ra ánh sáng tím với đỉnh cực đại tại 414nm. Điều này là do
quá trình phát sinh và tái hợp của các cặp điện tử - lỗ trống
(exciton). Cường độ phát quang của màng vật liệu tổ hợp
PVK:PCBM suy giảm đáng kể (khoảng 41%) so với cường độ
phát quang của màng PVK thuần, đỉnh phát xạ có sự dịch
chuyển về phía bước sóng ngắn (blue ship)
3.3.2

Hiệu ứng dập tắt huỳnh quang của màng

P3HT:PCBM:
Tương tự như màng PVK: PCBM, hiện tượng dập tắt huỳnh
quang của màng P3HT:PCBM = 1:1 (theo khối lượng) cũng xảy
ra nhưng với cường độ mạnh hơn nhiều (hình 3.11). Cường độ
phát quang của màng P3HT:PCBM suy giảm mạnh (khoảng
92%) so với cường độ phát quang của màng P3HT thuần.

18


Hình 3.11. Phổ quang - huỳnh quang của màng P3HT:PCBM = 1:1,
bước sóng kích thích 530nm.

3.3.3


(OSC).
Cấu trúc của pin như sau:
ITO/PEDOT-PSS/PVK:P3HT:PCBM /Al
ITO/PEDOT-PSS/PVK:P3HT:PCBM:CNTs /Al

Hình 3.14. Đường đặc trưng J-V của pin mặt trời OSC.
20


Từ đường đặc trưng J – V của linh kiện, xác định được
các thông số kỹ thuật của pin như sau:
Pin ITO/PEDOT-PSS/PVK:P3HT:PCBM/Al:
Thế hở mạch Voc = 0,4V
Dòng ngắn mạch Jsc = 7,5 mA/cm2
Hệ số điền đầy FF (%) = 38
Hiệu suất chuyển đổi năng lượng PCE = 1,14%
Pin ITO/PEDOT-PSS/PVK:P3HT:PCBM:CNTs/Al:
Thế hở mạch Voc = 0.39V
Dòng ngắn mạch Jsc = 8,9 mA/cm2
Hệ số điền đầy FF (%) = 42
Hiệu suất chuyển đổi năng lượng PCE = 1,46%
KẾT LUẬN
1.

Đã chế tạo vật liệu tổ hợp chuyển tiếp dị chất khối

cấu trúc nano trên cơ sở các polymer dẫn (PVK, P3HT), PCBM
và CNTs. Vật liệu tổ hợp có thành phần PVK:P3HT:PCBM =
50:100:150 (theo khối lượng) có độ ổn định tốt, tính hoạt quang
cao và giá thành hợp lí.

chuyển đổi quang điện 1,46% cao hơn so với pin ITO/PEDOTPSS/PVK:P3HT:PCBM/Al (1,14%).
5.

Hướng tiếp theo của đề tài là tiếp tục nghiên cứu

hoàn thiện công nghệ chế tạo pin ở điều kiện thường trong
phòng thí nghiệm nhằm cải thiện hiệu suất của linh kiện đạt tới
giá trị khoảng 3%.

22